Zapobieganie przerwom w dostawie prądu w Teksasie dzięki energii odnawialnej

Dwanaście miesięcy później stan sieci elektrycznej, podczas gdy się poprawił, Nadal wrażliwy Przerwy w dostawie prądu z powodu pogody.

„Jeśli w tym roku uderzy nas kolejna burza, tak jak Urey w 2021 r., sieć ponownie spadnie” – powiedział Andrew Dessler, profesor nauk o atmosferze na Texas A&M University. „To nadal jest dla nas zbyt ryzykowne”.

Ale już, ostatnie badania Pokazuje, że ogólnokrajowych przerw w dostawie prądu – być może nawet podczas ekstremalnych zjawisk pogodowych – można by uniknąć, przestawiając się na w 100% czystą energię odnawialną, taką jak energia słoneczna, wiatrowa i wodna.

„„Technicznie i ekonomicznie dysponujemy 95 procentami technologii, których potrzebujemy do przekształcenia wszystkiego dzisiaj”, powiedział Marc Jacobson, główny autor artykułu i profesor inżynierii lądowej i środowiskowej na Uniwersytecie Stanforda. Wiatr, woda i energia słoneczna już teraz odpowiadają za około jedną piątą energii elektrycznej kraju, chociaż pełna transformacja w wielu obszarach jest powolna.

Badanie wykazało, że przejście na odnawialne źródła energii zmniejszyłoby również zapotrzebowanie na energię, obniżyłoby koszty konsumenckie, stworzyłoby miliony nowych miejsc pracy i poprawiłoby zdrowie ludzi.

Niektórzy od lat wyrażają wątpliwości co do możliwości zastosowania odnawialnych źródeł energii na dużą skalę ze względu na ich koszty. Ale Dessler powiedział, że chociaż energia słoneczna była drogim źródłem energii 10 lat temu, to jest Jedna z najtańszych cen dzisiaj.

„Wiele ludzi na temat energii odnawialnej stało się bardzo przestarzałe” – powiedział Dessler, który nie był zaangażowany w badania.

Energia wiatrowa może być również bardzo wydajna i w niektóre dni zaoszczędzić połowę energii Teksasu – fakt, który zaskoczył podcastera Joe Rogan Kiedy pojawił się jako gość w czwartkowym odcinku „The Joe Rogan Experience”.

„Słoneczna i wiatrowa to najtańsze dostępne źródła energii” – powiedział Dessler. „Ludzie wydają się tego nie rozumieć, a także nie rozumieją, że wiemy, jak stworzyć niezawodną sieć, która opiera się głównie na odnawialnych źródłach energii”.

W najnowszym badaniu Jacobson i współpracownicy pokazują, jak co 30 sekund zaspokajać zapotrzebowanie na energię w Stanach Zjednoczonych bez przerw w dostawie prądu w bardziej zielonym, bardziej zaludnionym kraju w latach 2050 i 2051.

W symulacjach wyobraź sobie, że wszystkie pojazdy były elektryczne lub zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi. Elektryczne pompy ciepła, podgrzewacze wody, turbiny wiatrowe i panele słoneczne zastąpiły alternatywne paliwa kopalne. Zespół uwzględnił również nowe źródła energii cieplnej, ale żadnych nowych elektrowni wodnych.

Modelowali stabilność sieci w sąsiednich Stanach Zjednoczonych, w tym dane z modelu zanieczyszczenia powietrza, klimatu i pogody, który obejmuje czynniki klimatyczne i statystycznie typowe wzorce pogodowe występujące na danym obszarze. Korzystając z danych dotyczących zużycia energii z Energy Information Administration, zespół przeprowadził symulację zapotrzebowania na energię na lata 2050-2051. Zasilanie musiało odpowiadać zapotrzebowaniu na moc co 30 sekund, w przeciwnym razie model byłby zamknięty.

Zespół odkrył, że rzeczywiste zapotrzebowanie na energię zostało znacznie zmniejszone dzięki prostemu przejściu na źródła odnawialne, które są bardziej wydajne. W całych Stanach Zjednoczonych całkowite zapotrzebowanie na energię końcową spadło o około 57 procent. Roczne koszty energii na mieszkańca w gospodarstwach domowych były o około 63% niższe niż w scenariuszu „business as usual”.

„Wszystko, co obecnie robimy z paliwami kopalnymi, zostanie wykonane za pomocą technologii zasilanej energią elektryczną” – powiedziała Anna Katharina von Kreland, współautorka i doktorantka w laboratorium Jacobsona. „Ilość energii potrzebnej do wykonywania czynności, głównie do zasilania światła lub do napędzania procesów przemysłowych, która w rzeczywistości zostałaby zmniejszona, gdybyś używał bardziej wydajnego źródła zasilania”.

Podczas ekstremalnych zjawisk pogodowych mniejsze zapotrzebowanie na energię jest ważne, aby utrzymać sieć w trybie online. W Teksasie całkowita transformacja na zielono zmniejszyłaby średnie roczne zapotrzebowanie na energię przez użytkowników końcowych o 56 procent. Zmniejsza również obciążenia szczytowe lub największą ilość energii pobieranej z sieci w danym momencie. Jacobson powiedział, że wiele domów będzie miało również własną pamięć masową i nie będzie musiało tak bardzo polegać na sieci.

Zespół odkrył również, że połączenie sieci elektrycznych z różnych obszarów geograficznych może zwiększyć niezawodność systemu elektroenergetycznego i obniżyć koszty. Jest bardziej prawdopodobne, że wiatry będą wiać na większych obszarach, świecić słońcem lub uruchamiać elektrownie wodne gdzie indziej, co może pomóc wypełnić wszelkie luki w dostawach.

„Przerwy w energii odnawialnej zmniejszają się, gdy patrzysz na coraz większe obszary” – powiedział Dessler. „Jeśli nie jest wietrznie w Teksasie, może być wietrznie w stanie Iowa. W takim przypadku mogą wytwarzać nadmierną energię i mogą pobierać od nas część swojej dodatkowej mocy”.

Badanie wykazało, że koszty na jednostkę energii w Teksasie są o 27 procent niższe, gdy są podłączone do sieci na Środkowym Zachodzie, niż w przypadku izolacji, jak to jest obecnie.

„Ogólnie rzecz biorąc, stwierdziliśmy, że byłoby to mniej kosztowne, bardziej niezawodne i lepiej wykorzystywałoby energię, gdybyśmy mieli rozszerzyć połączenie międzysystemowe” – powiedział von Kruland. dodaj chociaż „Nawet gdyby każdy stan był samodzielną wyspą, nadal byłoby możliwe wdrożenie 100% wody wiatrowej i słonecznej w każdym stanie”.

Podczas zimy w Teksasie Jacobson powiedział, że odpowiednio utrzymane turbiny wiatrowe pomogą również w utrzymaniu zasilania. Podczas zimna w lutym 2021 r. niektóre zamarznięte turbiny wiatrowe zostały wyłączone z powodu braku sprzętu do odladzania. (Węgiel, gaz i zasoby jądrowe) też blisko od bezpośredniego zamrożenia sprzętu i przyczynił się do jeszcze większego spadku mocy.)

„W te dni, kiedy jest zimno, wieją silne wiatry, co jest naprawdę dobrą wiadomością, ponieważ gdy jest zimno, masz zapotrzebowanie na ogrzewanie” – powiedział Jacobson. „Właściwie dostajesz więcej energii w zimne dni”.

Zimą słabe nasłonecznienie może sprawić, że panele słoneczne będą bezużyteczne. W tym przypadku turbiny wiatrowe i panele słoneczne są komplementarnymi źródłami energii. Jeśli w którymś momencie oba zawodzą, może zostać uruchomione inne źródło energii, takie jak energia geotermalna lub energia wodna.

Baterie są również wykorzystywane do dostarczania energii, gdy energia słoneczna lub wiatrowa jest niska, ale zespół wykazał, że długotrwałe baterie nie są konieczne ani korzystne dla stabilności sieci. Wiele z 4-godzinnych akumulatorów dostępnych obecnie na rynku można podłączyć, aby zapewnić długotrwałe przechowywanie, na przykład podczas przerwy w dostawie prądu. To odkrycie jest szczególnie przydatne, ponieważ długowieczna technologia baterii może nadal być stosunkowo daleka od wprowadzenia na rynek.

„Błędem jest myślenie o odnawialnych źródłach energii jako niewiarygodnych, ponieważ nie myślisz o odnawialnych źródłach energii per se” – powiedział Dessler. „Myślisz o nich jako o części systemu. Stabilna sieć, która zawiera dużo odnawialnych źródeł energii, będzie miała również stałą moc rozmieszczania, która odbije się, gdy odnawialne źródła wyczerpią się.”

Symulacja zespołu sugerowała również awarię zasilania w Kalifornii, taką jak Te w sierpniu 2020 r., przy niskich kosztach. Instalacja większej liczby morskich turbin wiatrowych w okresie letnim może zaoszczędzić energię, w tym chłodzenie budynków. Przejście na wszystkie rodzaje czystej, odnawialnej energii może zmniejszyć zapotrzebowanie Kalifornii na energię o 60 procent.

Oprócz poprawy stabilności sieci, badanie wykazało, że prowadzenie czystej, odnawialnej sieci może stworzyć prawie 5 milionów długoterminowych miejsc pracy w pełnym wymiarze godzin, od budownictwa przez produkcję po pośrednie zatrudnienie w firmach. Systemy wytwarzałyby również czystsze powietrze, co mogłoby zmniejszyć liczbę zgonów związanych z zanieczyszczeniem o 53 000 osób rocznie i zmniejszyć liczbę chorób związanych z zanieczyszczeniem u milionów ludzi w 2050 roku.

„To bardzo ważne badanie” – powiedział Robert Howarth, profesor Cornell University, który nie był zaangażowany w badania. „Przemysł paliw kopalnych nadal twierdzi, że odnawialne źródła energii są niebezpiecznym eksperymentem, a stabilność i niezawodność sieci będzie nadal zależeć częściowo od paliw kopalnych. Tutaj Jacobson i współpracownicy wyraźnie pokazują, że wcale tak nie jest.”

Dessler zgadza się, że jego zdaniem wyniki tego badania nie są „w ogóle kontrowersyjne”.

„Oczywiście będzie działać tylko dlatego, że na planecie jest dużo energii odnawialnej. Tylko z punktu widzenia fizyki nie ma tutaj podstawowych ograniczeń” – powiedział. „Ograniczenie ma charakter polityczny. Musisz zebrać ludzi i zdecydować się na to, a to jest naprawdę trudne”.

Podczas zimnego trzasku w lutym 2021 r. były gubernator Teksasu Rick Perry powiedział, że Teksańczycy będą spędzać więcej czasu na mrozie i bez elektryczności, aby „utrzymać rząd federalny z dala od ich interesów” i demokraci udaremnili którzy chcą zaproponować nowe regulacje.

Około 15 stanów, terytoriów i ponad 180 miast wdrożyło polityki zwiększające ilość odnawialnej energii elektrycznej, ale Jacobson ma nadzieję, że takie odkrycia dadzą decydentom zaufanie do uchwalania przepisów i polityk w celu szybszej transformacji. Wcześniejsze studia Jacobsona i praca za pośrednictwem jego organizacji non-profit rozwiązania projektowe Pomóż w tworzeniu świadomych planów, takich jak Zielony Nowy Ład i ustawodawca stanowy.

„Potrzebujemy naprawdę szybkiego 80-procentowego przejścia [of clean energy] do 2030 roku i jak najszybciej po tym w 100 procentach, powiedział Jacobson. „Rozwiązanie tego problemu wymaga naprawdę dużego wysiłku wielu ludzi. To nie jest pojedyncze badanie naukowe, które rozwiąże ten problem.”